Ionenantrieb - der Schlüssel zum Sonnensystem?

Seit Jahren hört man von alternativen Raumfahrtantrieben, die der Menschheit nun endlich das Tor ins Sonnensystem und vielleicht sogar darüber hinaus aufstoßen sollen: die Ionenantriebe. Haben wir von denen wirklich so Großes zu erwarten? Kurze Anwort: Nö.

Zur langen Antwort, die im Prinzip auch nur eine Variante von "Nö" ist,  muss ich etwas ausholen. Zunächst einmal eine kurze Erläuterung, warum man sich für Ionentriebwerke interessiert, was ein Ionentriebwerk ist und was es auszeichnet.

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In einem herkömmlichen Raketentriebwerk werden zwei Chemikalien, der Brennstoff und der Oxidator, in einer Brennkammer zusammengebracht und unter hohem Druck und hoher Temperatur verbrannt. Das entstehende Verbrennungsgas wird durch eine Düse ausgestoßen. Die Energie entstammt der chemischen Reaktion. Ein solches Triebwerk kann gewaltigen Schub entwickeln, wenn man genügend Treibstoff aufwendet.

Neben dem Schub ist auch die Ausstoßgeschwindigkeit des Verbrennungsgases wichtig. Die hängt neben Brennkammerdruck und -temperatur vor allem von der Molmasse des Gases ab. Je leichter, desto besser. Am effizientesten sind Triebwerke, in denen Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasserdampf verbrannt werden. Da erreicht man Ausstoßgeschwindigkeiten von über 4.5 km/s. Allerdings ist bei dem Wert auch fast schon Ende der Fahnenstange für solche konventionellen Raketenantriebe.

Die Ausstoßgeschwindigkeit ist deswegen wichtig, weil nach dem Impulserhaltungssatz und der darauf aufbauenden Raketengrundgleichung gilt, dass eine Rakete oder ein Raumschiff bei einer gegebenen Geschwindigkeitsänderung um so weniger Treibstoff verbraucht, je höher diese Ausstoßgeschwindigkeit ist.

Den Impulserhaltungssatz kann man nicht umgehen, es handelt sich um ein fundamentales Naturgesetz. Also muss man die Ausstoßgeschwindigkeit erhöhen, will man Treibstoff sparen. Das geht bei chemischen Antrieben nicht mehr, die sind technisch bereits ausgereizt.

Daher ist man an Ionentriebwerken interessiert. Deren Funktionsprinzip - es gibt diverse Bauarten, aber das Prinzip ist allein gemein - besteht darin, einen Treibstoff - meist das Edelgas Xenon - zu ionisieren und die entstehenden Ionen in einem elektrischen Feld (oder einer Kombination von elektrischem und magnetischen Feldern) zu beschleunigen. Die Ausstoßgeschwindigkeit hängt von der Stärke des Feldes ab. Es sind ohne weiteres 30 km/s oder mehr drin.

Also ein gewaltiger Vorteil gegenüber konventionellen Triebwerken? Man muss das Gesamtsystem betrachten. Bei Ionentriebwerken muss die Energie von außen zugeführt werden. Was hat man davon, wenn die Triebwerke am Treibstoff nur nippen, dafür aber die Masse der Energieversorgung jedes Maß sprengt?

Da genau hier das Problem liegt, stehen nur solche Ionentriebwerke zur Debatte, die sehr schwachen Schub liefern. Und damit hat man schon das nächste Problem, denn gerade solch schwacher Schub ist in der Regel nicht das, was man im Missionsdesign haben will. Es gibt Situationen, wo das nichts ausmacht, nämlich dann, wenn der Flug ohnehin lange dauert. Da wirkt ein Ionentriebwerk sogar positiv.

Sonst führt der angeblich so effiziente Ionenantrieb schnell zu dramatisch verlängerten Flugdauern. Aber spart man wenigstens Treibstoff?

Beispiel 1:  Die europäische Mondsonde SMART-1. Diese  wurde im September 2003  von einer Ariane-Rakete ins geostationäre Transferorbit gestartet und flog von dort mittels eines Ionenantriebs auf der vielleicht komplexesten Bahn aller Zeiten zum Mond, den sie im November des folgenden Jahres erreichte. Ihre Endbahn um den Trabanten hatte eine Minimal- und Maximalhöhe von 300 bzw. 3000 km, diese Bahn wurde weitere 5 Monate später erreicht, also betrug die Gesamttransferdauer satte 19 Monate.

Gefühlte Hunderttausend Mal wurde darauf herumgeritten, dass der Inhalt des Xenon-Treibstofftanks nur 82 kg betrug. Mit 82 kg Treibstoff zum Mond ... das klingt doch nicht schlecht? Nun ist die Entfernung allerdings eher unwichtig, wesentlich ist der zu überwindende Energieunterschied. Im GTO hat man es zum Mond energetisch gesehen schon mehr als halb geschafft. Auch muss man berücksichtigen, dass  die vollgetankte Sonde nur 368 kg auf die Waage brachte, also lag der Treibstoffanteil schon bei über 22%. Hiervon wurde nicht alles für den Transfer benötigt, ein kleiner Rest diente noch zur Stabilisierung der Bahn um den Mond.

Die meiste Aussagekraft hat aber der Vergleich mit einer Sonde mit herkömmlichem Antrieb. Wieviel Treibstoff die brauchen würde, kann man schnell ausrechnen. Man benutzt dazu die Kenngröße Delta-v, also den über alle Triebwerksmanöver aufsummierten theoretischen Geschwindigkeitszuwachs. Vorsicht: Dieser entspricht nicht dem wirklichen Geschwindigkeitszuwachs, denn die gravitationellen Kräfte sind nach wie vor zu berücksichtigen. Das Delta-v vom GTO zu einer 300 x 3000 km-Bahn beträgt schlimmstenfalls 1.2 km/s, wie man schnell ausrechnen kann. Schlagen wir noch 5% drauf, und berechnen wir die erforderliche Treibstoffmasse mit einem Standardantrieb, der Hydrazin und Distickstofftetroxid benutzt, so wie die Mehrzahl aller Raumsonden. Da kommen wir auf eine Treibstoffmasse von 120 kg. 

Das ist zwar mehr als die rund 78 kg, die SMART-1 auf seinem Weg zum Mond verbrauchte. Aber erstens muss man jetzt auch noch die überdimensionierte Energieversorgung von SMART-1 hinzurechnen. Diese Raumsonde hatte wegen des Ionenantriebs  gewaltige 1.85 kW Leistung zur Verfügung, mehr als doppelt so viel wie die Saturnsonde Cassini. Eine gleich schwere Sonde mit normalem Antrieb hätte keine so großen Solargeneratoren gebracht, dort also auch Masse gespart.

Und zweitens muss man auch die Transferdauer berücksichtigen. Anderthalb Jahre für einen Transfer zum Mond - und das auch nur, weil der Ionenantrieb von SMART-1 absichtlich mit höherem Schub (70 Millinewton, also 70 Tausendstel der Gewichtskraft, die eine Tafel Schokolade auf die Tischfläche ausübt), dafür aber geringerer Effizienz (Ausstoßgeschwindigkeit 15 km/s) ausgelegt war! Mit deutlich höherer Ausstoßgeschwindigkeit wäre zwar der Verbrauch geringer gewesen, dafür hätte es drei Jahre gedauert, oder aber die Solargeneratoren wären noch wesentlich größer ausgefallen. Eine konventionelle Sonde braucht, selbst wenn sie den Transfer in Stücke aufteilt, um die Verluste zu minimieren, höchstens zwei, drei Wochen, dann ist sie im Zielorbit und hat schon Jahre der Wissenschaft hinter sich, wenn die ionengetriebene Sonde endlich eintrifft. 

Bei SMART-1 spielte all dies keine Rolle - die Raumsonde diente der Technologiedemonstration: Die ESA wollte damit alles über den Bau und Betrieb eines Ionenantriebs lernen, und dieses Ziel wurde voll erreicht. Dennoch ist dies ein aussagekräftiges Beispiel. Mit Ionenantrieb dauert es lange und der Massenvorteil ist minimal - falls man überhaupt einen Vorteil hat. 

Nächstes Beispiel: Mir liegt ein Vorschlag für ein gewaltiges bemanntes Marsraumschiff mit Ionenantrieb vor. Dieser Antrieb, ein Paket aus gebündelten Ionentriebwerken, schafft einen Schub von 300 N. Die Ausstoßgeschwindigkeit soll 70 km/s betragen. Das Schiff soll Solargeneratoren mit einer Leistung von 15 MW in einer astronomischen Einheit Sonnenabstand haben - die Leistung nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. Es hat eine Anfangsmasse von 500 Tonnen im niedrigen Erdorbit, wo es zusammengebaut wird. Von diesen 500 Tonnen sind 250 Tonnen Treibstoff - wobei man klären sollte, woher man überhaupt 250 Tonnen Xenon bekommen will. Die verbleibenden 250 Tonnen enthalten alles: Die Wohnquartiere, das Lebenserhaltungssystem, die Marslandeeinheit, die Rückkehrkapsel, die Xenontanks, die Triebwerke ...und natürlich auch die 15 MW-Solargeneratoren. 

Angesichts von 500 Tonnen Anfangsmasse sind 300 Newton Schub nicht viel, deswegen sieht auch die Bahn ganz anders aus als bei herkömmlichen Antrieben. Das Raumschiff soll sich auf einer Spiralbahn langsam von der Erde hochschrauben, fliegt dann unter Dauerschub zum Mars und erreicht, wiederum auf einer inversen Spirale das niedrige Zielorbit, der Rückweg funktioniert umgekehrt. Man kann sogar das Schiff ins Erdorbit einschießen und beispielsweise im Lagrange-Gleichgewichtspunkt zwischen Erde und Mond "parken", wo es für die nächste Mission ausgestattet wird. Das "Delta-v" für eine solche Mission liegt bei 50 km/s, das ist viel Holz.

Schön und gut, aber ist das alles realistisch? In Erdnähe erhält ein Quadratmeter rund 1.4 kW Einstrahlleistung durch das Sonnenlicht. Selbst bei einer (bei Weltraumanwendungen optimistischen) angenommenen Solarzelleneffizienz von 25% bräuchte man also 43000 Quadratmeter reiner Sonnenzellenfläche, wenn das mit den 15 Megawatt hinhaut - Bei genauerem Hinsehen erscheint das nämlich eher wenig, aber wir wollen hier keine schlafenden Hunde wecken. Wenn man typische Kenngrößen von kleinen Solargeneratoren für Satelliten ansetzt, dann kommt man auf 4-4.5 kg/qm. Das ergibt dann schon über 170 Tonnen allein für die Energieversorgung - wahrscheinlich eher mehr, denn größere Flächen brauchen auch mehr Versteifung. Von 250 Tonnen Trockenmasse schon 170 Tonnen für die Solargeneratoren und nur 80 Tonnen für den ganzen Rest? 

Nun gelten für sehr große Solargeneratoren aber andere Kennzahlen: Die Solargeneratoren der ISS sind ausfahrbar, sie bestehen aus einer dünnen, faltbaren Folie, einem Teleskoparm und Querträgern an beiden Enden. Eine solche Einheit hat allein schon eine Masse von 1100 kg und erbringt eine Bruttoleistung von 33 Kilowatt. Hinzu kommen Kühleinheiten, Drehgelenke, Träger Steuergeräte usw. Nun tun wir mal so, als bräuchte man die ganzen anderen Einheiten nicht, sondern nur den Teleskoparm mit der Folie und den Querträgern. Das ist zwar sehr optimistisch, denn man braucht die ganzen Geräte schon, aber wir wollen mal so tun, als würde der technische Fortschritt sie überflüssig machen. Viel leichter wird's auch in ferner Zukunft nicht mehr gehen - wir reden hier immerhin von einer ausgereiften Technologie und die Ingenieure, die die ISS bauen, verstehen ihr Metier.

33 kW auf 1100 kg, das macht 30 W/kg. Ziemlich wenig, aber das kommt schon hin, denn eine dünne Folie wird sehr warm, und dadurch sinkt die Effizienz von Solarzellen. Setzen wir also diese - wie gesagt, sehr optimistischen - Werte an, kommen wir schon auf eine Masse der Energieversorgung von 500 Tonnen, so viel, wie das ganze Raumschiff wiegen soll. Hier wäre nochmals eine Reduzierung um eine Größenordnung erforderlich, aber wo soll die herkommen?

Da drängt sich einem der böse Verdacht auf, es sei etwas von den Machern des Konzepts schöngerechnet worden. Mit realistischen Massenannahmen scheinen die 500 Tonnen Anfangsmasse nicht zu halten. Dann allerdings setzt ein Schneeballeffekt ein - die Treibstoffmasse steigt im selben Maße, damit reichen die 300 N Schub nicht mehr, dann braucht man aber größere Solargeneratoren, dadurch steigt wieder die Trockenmasse ....

Auch dieses  Beispiel zeigt des Pudels Kern. Ionenantriebe werden solange keinen Durchbruch erleben, wie es keine dramatische Reduktion in der Masse der Energieversorgung gibt. Man braucht elektrischen Strom, d.h., selbst mit einem Fissions-, Fusions- oder gar Antimateriereaktor hätte man immer noch Kühlkreislauf, Wärmetauscher, Turbinen, Generatoren, Radiatoren, Pumpen, Rohrleitungen, die die von den bestenfalls paar Hundert Newton Schub des Ionenantriebs geschoben werden müssten. Wesentlich ist das Verhältnis Schub-zu-Masse, und das sieht sehr mau aus, ohne Aussicht auf Besserung. 

Meine Meinung

Ionenantriebe sind nichts Neues. Ich habe sie schon vor über 20 Jahren im Studium durchgenommen. Damals standen sie angeblich auch schon kurz vor dem Durchbruch, der allerdings beharrlich ausbleibt, obwohl die Technik an sich längst einsatzreif ist. Das Problem sind aber nicht die Triebwerke an sich, sondern die erforderliche Masse der elektrischen Energieversorgung. Wenn sich hier keine dramatische Verbesserung ergibt (und es sieht ganz danach aus, als hätten wir da nichts zu erwarten), dann wird auch in Zukunft dem Ionenantrieb nur ein Nischendasein beschieden sein: Er taugt nur für kleine bis sehr kleine Raumsonden, vorwiegend im inneren Sonnensystem und nur für bestimmte Missionen, vorwiegend solche zu Asteroiden. Leider...

Weitere Informationen

ESA-Webseite der Mondmission SMART-1

Beitrag des Autors zum Thema SMART-1 in Sterne und Weltraum

Webseite der NASA-Mission Deep Space 1

Webseite der japanischen Mission Hayabusa

Webseite der NASA-Mission Dawn

Webseite der ESA-Mission BepiColombo